(57)【要約】【課題】多重管式熱回収器において、熱交換部と外筒を、低コストで高信頼性の加工方法にて形成する。【解決手段】熱交換部である螺旋状溝を転造加工にて形成し、外筒端部のネッキング形状をスピニング加工にて形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガスと冷却媒体を熱交換する多重管式熱回収器において、冷却媒体通路を構成する熱交換筒に回転加工にて熱交換部が形成され、外筒あるいは前記熱交換筒の少なくとも一端に回転加工にて接続部が形成されたことを特徴とする多重管式熱回収器。
【請求項２】
前記熱交換部は転造加工にて形成された螺旋状溝であるとともに、前記接続部はスピニング加工にて形成されたネッキング形状であることを特徴とする請求項１に記載の多重管式熱回収器。
【請求項３】
前記熱交換筒の両端が前記外筒の内面へ液密に固定され、前記外筒には前記冷却媒体通路と連通する導入ポート及び排出ポートが液密に固定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多重管式熱回収器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、内燃機関等の排気通路に設けられ排気ガスと冷却媒体を熱交換する、多重管式熱回収器に係る。
【背景技術】
【０００２】  従来、内燃機関や燃焼装置等の排気管に介装され、熱源媒体である気体や液体と排気ガスの熱を交換する熱回収器が知られている。回収された熱は、冷却媒体である気体や液体を介して車両等の必要箇所へ配送され、暖房や暖機や油脂類加熱等に供される。また、排気ガスの冷却を目的として使用される場合には、回収された熱は車両装備の冷却系等を介して積極的に放出される。【０００３】  この種の熱回収器の構造としては、同軸状に多重配置された複数管間の環状空隙を熱源媒体と冷却媒体の流路とし、両流路間の熱交換部分に熱交換を促進するために凹凸を設ける構造が一般的である。例えば、熱源媒体が排気ガスである特開２００４−５３１０７号公報に記載のＥＧＲクーラ構造や、熱源媒体がエンジンオイルである特開平１０−３８４９１号公報に記載のオイルクーラ構造などが公知である。これらは熱源媒体を流下させる内管の熱交換部分に、管軸方向へ螺旋状に起伏する条溝を有しており、熱源媒体の流動を妨げずに熱交換を促進させる旨を開示している。【０００４】
【特許文献１】特開２００４−５３１０７号公報
【特許文献２】特開平１０−３８４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  一般的に、比較的大径かつ薄肉の金属製内管（ｔ／Ｄ＝０．０２〜０．０４程度）に一定範囲に亘る螺旋状条溝を連続形成することは、加工が複雑かつ困難である。例えば、特許文献１に記載の多重管式熱回収器においては、ハイドロフォーム加工を用いて膨出させる形成法が、また、特許文献２に記載の多重管式熱回収器においては、予め凹凸を設けた板材を巻回する形成法が提案されている。しかしながら、どちらも金型と複雑な工程を要する難加工であるため、加工時間および製造コストが嵩むとともに、熱交換能力の変更要請に伴う各部寸法や形状のチューニングには、容易に対応できない。また、車両に搭載するには、前後排気管との接続のため両端がネッキング状であることが好ましいが、特許文献１に記載の多重管式熱回収器は別体の外筒とネッキング部とが溶接固定されるので、強度および耐久性において一体品に比して懸念が残る。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上記課題を解決するため、本発明は請求項１記載のように、排気ガスと冷却媒体を熱交換する多重管式熱回収器において、冷却媒体通路を構成する熱交換筒の熱交換部が回転加工にて形成され、外筒あるいは熱交換筒の少なくとも一端に回転加工にて接続部が形成されるものである。【０００７】  さらに、請求項２記載のように、熱交換部は転造加工にて形成された螺旋状溝であるとともに、接続部はスピニング加工にて形成されたネッキング形状であると良い。【０００８】  そして、請求項３記載のように、熱交換筒の両端が外筒の内面へ液密に固定され、外筒には冷却媒体通路と連通する導入ポート及び排出ポートが液密に固定されていても良い。【０００９】  請求項１記載の発明によれば、熱交換部と接続部を回転塑性加工だけで形成できるので、製造時間やコストを低減可能であるとともに、寸法チューニングにも対応容易である。また、外筒と接続部が一体形成されるため、強度的にも耐久信頼性においても懸念がない。【００１０】  請求項２記載の発明によれば、螺旋状溝を転造加工、接続部をスピニング加工という夫々確立され信頼性の高い回転工法を適用するので、一層確実に製造時間やコストを低減でき寸法チューニングにも対応容易となる。【００１１】  請求項３記載の発明によれば、外筒内面に冷却媒体通路が形成され、その内面が熱交換部となるので、熱回収効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  本発明を実施するための最良の形態を図１乃至図３に示す実施例に基づいて説明する。図１に示す第１の実施例において、（ｅ）図の熱回収器１はその前工程である（ａ）〜（ｄ）工程を経て製造される。先ず（ａ）工程にて金属製の外筒素管２１を用意し、両端２４，２５を図示しないクランプ手段によって強固に保持する。【００１３】  （ｂ）工程において、素管２１の中央部を複数の転造ローラ２３によって相対公転しながら押圧して、管軸方向へ連続起伏する螺旋条溝、ずなわち熱交換部５を形成する。この螺旋状溝の転造工法は、例えば特開昭６１−２０９７２９号工法に記載のような周知工法を適宜援用すればよい。また、転造ローラ２３の相対公転速度や公転半径（押圧量）、および、管軸方向への移動速度やリード角を適宜調整することで、任意のピッチや深さの螺旋状溝、すなわち熱交換部形状を得ることができる。もちろん、形状は一定に限らず徐変しても構わないし、条数も複数であってよい。相対公転としては、管を固定してローラを公転させるケース、ローラを非公転として管を自転させるケース、ローラ公転と管自転を反転させるケースの３つが考えられるが、適宜選択すればよい。【００１４】  このような要領で、螺旋状溝を有する薄肉管、所謂スパイラルチューブ２２が得られるのであるが、転造加工は管素材を相対回転させて、工具（転造ローラ）により局部的な塑性変形を徐々に繰り返し与え所望形状を創生する工法であるので塑性加工限界が高く、比較的大径で薄肉の内管に一定範囲に亘る螺旋状条溝を連続形成することが容易である。また、ローラ運用次第で創生する形状は任意なので、形状自由度、ひいては設計変更容易性やチューニング自由度が高くなる。なお、ローラによる転造加工以外にも金型形状を転写させる本来の転造加工も選択可能ではあるが、上述の回転加工本来のメリットを享受するのであれば、多重管式熱回収器の製造においてはローラ転造工法が最適である。【００１５】  次いで（ｃ）工程において、スパイラルチューブ２２の端部２４，２５をパンチ挿入や割型広げ等周知の塑性加工法によって拡径し、テーパ部と直管部から成る拡径部２６，２７を形成して熱交換筒４を得る。なお、予め外筒素材２１の中央部をスエージング等周知の塑性加工法によって縮径し、相対的に拡径部２６，２７を形成しておいてから、中央部に対して転造加工を施しても構わない。【００１６】  次いで（ｄ）工程において、外筒２内へ熱交換筒４を挿入し拡径部２６，２７を諸定位置に留めた後、環状の溶接部２８，２９にて液密に固定する。また、その前か後で外筒２に導入ポート１３と排出ポート１２を貫通し、液密に溶接固定する。これによって、外筒２内面と熱交換筒４にて画定された環状空間は冷却媒体通路３を構成し、冷却媒体通路３には導入ポート１３と排出ポート１２が連通する。なお、溶接部２８、２９付近の外筒２を若干縮径し拡径部２６，２７と密着状態を維持して溶接すると、溶接が確実となる。あるいは、後述のスピニング加工を含む周知の縮径加工法にて同部を縮径塑性加工し（所謂サイジング）、その後に溶接を施しても良い。（ｄ）工程が終了した時点で、導入ポート１３、冷却媒体通路３、排出ポート１２内に流体を満た��て、各接合部からの漏洩がないこと、及び、溶接スパッタ等が残存していないこと等を確認しておくと良い。そして、流体を排出し乾燥させ、最終工程（ｅ）に臨む。【００１７】  （ｅ）工程において、外筒２中央部を強固にクランプし、その両端に周知の回転加工であるスピニング加工を施して、相手排気管との接続部６，７を形成する。ネッキング形状の接続部６，７は、テーパ部８，９およびその先端の直管部１０，１１とから成り、これらは端部２４，２５にスピニング加工を施すことによって、一体成形される。このように、多重管式熱回収器の製造における難加工個所である熱交換部と外筒端部を、回転加工を用いることで、無理なく所望形状に加工できる。なお、いずれの回転加工においても、必要に応じ芯金を併用しても良いし、冷間加工に限らず熱間、温間加工であっても良い。【００１８】  スピニング加工は、外筒２に対し相対的に公転する複数のスピニングローラ１４を、管軸方向と径方向へ同時に動かしながら管端を押圧して、任意の輪郭を持った回転対象のネッキング部を創生する加工方法である。転造加工と同様、管を固定してローラを公転させるケース、ローラを非公転として管を自転させるケース、ローラ公転と管自転を反転させるケースの３つの相対公転のうちから、適宜選択すればよい。もちろん、管素材を相対回転させて工具（転造ローラ）により局部的な塑性変形を徐々に繰り返し与え所望形状を創生する回転工法であるので、塑性加工限界が高く、ローラ運用次第で創生する形状は任意である。したがって、外筒２端部の形状自由度、ひいては設計変更容易性やチューニング自由度が高くなる。また、本実施例は外筒２の管軸とネッキング部８，９の管軸が同軸上に位置する同軸スピニング加工であるが、必ずしも同軸上に位置しなくてもよく、設計ニーズに応じ、特許登録第２９５７１５３号の偏芯スピニング加工法や特許登録第２９５７１５４号の傾斜スピニング加工法等を援用すればよい。【００１９】  本発明の第２の実施例を、図２にて説明する。多重管式熱回収器３１は、内部に熱源媒体流路と流路切換え手段を有し、熱回収不要時には熱交換を休止させることができる。外筒３２内面には、第１の実施例と同様の工程を経て形成された熱交換筒３４が液密に溶接固定され、冷却媒体通路３３を画定している。同様に外筒３２内面には、多孔群３６を穿設されたカバーパイプ３５が固定されており、カバーパイプ３５内には吸音材３７が一定密度で充填されている。すなわち、カバーパイプ３５は吸音マフラとして機能する。また、外筒３２には、冷却媒体通路３３と連通するよう、導入ポート４５及び排出ポート４６が液密に固定されている。【００２０】  外筒３２上流端と下流端には、第１の実施例と同様スピニング加工にてネッキング形状の接続部４１，４４が一体形成されており、各接続部はテーパ部４０，４２と直管部３９，４３から成る。直管部３９上流端からは内筒３８が露出しており、図示しない上流排気管が内筒３８内に嵌装され、直管部３９、内筒３８、上流排気管の３者が気密に溶接固定される。あるいは、直管部３９に締結フランジを嵌装固定する接合方法を選択しても良い。下流側の接続部４４においても、直管部４３内に下流排気管Ｋが内嵌あるいは外嵌され固定されるが、フランジ締結を選択しても良い。【００２１】  接続部４１の前端部、すなわち直管部３９の軸芯は外筒３１の管軸と傾斜角を有し、直管部３９には、おなじく外筒３１の管軸と傾斜角を有する内筒３８前端部が内嵌されている。ここにおいて、テーパ部４０及び直管部３９は、特許登録第２９５７１５４号の傾斜スピニング加工法によるものである。さらに、傾斜した直管部３９内に内筒３８上流端を挿入するにおいては、直管部３９を若干大径にスピニング成形しておき内筒３８を遊嵌後に直管部３９を縮径させる、特許登録第３５００１０９号記載の工法を援用すると好適である。また、本実施例においては、内筒３８は直管部３９によって上流端のみ支持される片持ち構造であるが、適宜、外筒３２内に、内筒３８を支持するサポート部材を設けても良い。【００２２】  内筒３８下流端には、排気ガス圧によって開閉する弁体５５がブラケット５４を介して装着されている。弁体５５は、排気装置においては周知の所謂動圧式可変バルブであるので詳細説明を省くが、内筒３８内の排気ガス圧（あるいは流量）が一定以下の時は閉塞しており、一定値以上で図示しないスプリングの付勢に抗して開き始め、動圧の増大に応じ開度を増す。閉塞時には内筒３８内に流入した熱源媒体たる排気ガスは、内筒３８下流端からの流出を妨げられるので４つの開孔５０から流出し、熱交換流路５２を流下して直管部４３から器外へ排出される。この過程において、排気ガスから熱交換筒３４を介して冷却媒体通路３３内の冷却媒体へと熱交換される。以上が、熱交換時の排気ガス流下経路である。【００２３】  一方、排気ガス圧（あるいは流量）が一定以上になると弁体５５が回動して内筒３８下流端からの排気ガス流出を許す。これによって、主流は熱交換流路５２からバイパス流路５３へ変わり、熱回収指向から排気ガスの流出（通過）指向へと移行する。従って、熱回収を基本としつつも、一般に熱回収が不要となる内燃機関等の高出力時（大流量時）には熱回収をバイパスし、低抵抗にて排気ガスを通過させることができる。また、排気ガス圧に依存せず任意に切換え制御を行いたい場合には、弁体５５の駆動軸（枢軸）を外筒３２外へ気密に延出し、周知のモータやアクチュエータ等による強制駆動制御を援用してもよい。強制開閉とすれば、排気ガスが動圧として弁体を開ける分の仕事が不要となるので、バイパス時の低圧損要求に一層適う。また、動圧式、強制開閉式ともに弁体５５は、フラップ式以外にも、バタフライ式、スライド式、閉塞体嵌合式等、周知の弁方式を援用すればよい。更に、アクチュエータに関しては、電気式、油圧式、空圧式など周知技術を用いれば良い。また、動圧式、強制開閉式ともに、熱に応じてストロークするサーモワックスや形状記憶合金等を動圧式可変バルブの駆動源として、排気ガスや冷媒の温度に応じた補助制御を加えてもよい。【００２４】  熱回収のバイパス時には、なるべく冷却媒体へ熱回収が行われないことが望まれるが、内燃機関等の高出力時（大流量時）は排気ガス温が高く内筒３８壁面も高温化し、その熱放射で熱交換筒３４および冷却媒体も加熱されるので、望まない熱回収がされがちである。そこで本実施例においては、���筒３８外周に断熱効果を有する吸音材４９とカバーパイプ４７を設けたので熱放射を防ぎ、バイパス時の熱回収を最小限にできる。また、内筒３８には多孔群５１が穿設されるとともにカバーパイプ４７にも多孔群４８が穿設されているので、排気ガス脈動が多孔群を介して吸音材４９と連通し、熱回収時及びバイパス時に吸音および共鳴による消音効果を得ることができる。すなわち、熱回収器でありながら、排気系に要求される中〜高周波の消音に寄与できるものである。しかも、吸音材４７は断熱機能と消音機能を兼ねるため、各部材を別々に設ける必要がない。さらに本実施例においては、外筒３２の下流側内面にも多孔群が穿設されたカバーパイプ３５と吸音材３７を設けてあるので、一層消音に寄与する。【００２５】  また、消音においては、外筒３２内の熱交換筒３４より前部分に共鳴室５６を確保しており、これが消音に積極的に寄与する。すなわち、熱回収時においては、排気ガスが開孔５０を経て共鳴室５６へ流出する際、拡張作用によるエネルギー減衰で低〜中周波の消音がなされる。また、バイパス時においては、排気ガスの開孔５０流出はないが音響エネルギーは連通するので、開孔５０が首管として共鳴室５６と協働し共鳴作用にて低〜中周波数の消音に寄与する。【００２６】  なお、より一層熱交換を促進させるため、熱交換筒３４の熱交換部と同様、外筒３２にも転造加工にて螺旋状溝を形成しても良い。また、カバーパイプ４７内に吸音材４９を配さずに空洞としても断熱および消音作用は得られるので、適宜選択すれば良い。更には、カバーパイプ４７にも転造加工により螺旋状溝を形成したり、他の手段による何らかの凹凸を形成しても良い。それによって、熱回収時に、熱交換筒３４とカバーパイプ４７間を流れる排気ガスに乱流を与え、熱交換効率が一層向上する。【００２７】  本発明の第３の実施例を、図３にて説明する。熱回収器７２は、第１の実施例における熱回収器１と基本構成は同じであるが、外筒と内筒の端部が異なるものである。内筒６１は、その中央部に転造加工にて熱交換部６２を形成されるとともに、スピニング加工にて端部に接続部６３，６４が一体形成されている。内筒６１の拡径部６５，６６に外筒６０が外嵌され、溶接部６８，６９においてそれぞれ液密に溶接固定される。これにより、導入ポート７０及び排出ポート７１に連通する冷却媒体通路６２が構成される。もちろん、第２の実施例のように、更に内装物を組込むことも任意である。また、拡径部６５，６６と外筒６０の溶接固定は、必ずしも溶接部６８，６９位置に限らず、外筒両端を隅肉溶接しても構わない。いずれの溶接においても、レーザ、ＭＩＧなど溶接工法は任意である。【００２８】  以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は上述の実施例に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても、本発明に包含される。例えば、各管の横断面形状は円に限らず任意の異型断面でも良いし、軸方向に断面が徐変しても良いし、軸芯同士は非同軸状態あるいは非平行状態であっても良い。また、冷却媒体への熱回収を主目的とする狭義の熱回収器（ヒートコレクタ）に限らず、排気ガスの冷却を主目的とする排気クーラ等も熱回収器として包含��、冷却媒体は水に限らず最適な液体や気体を適宜用いればよい。更に、主たる排気管への装着のみならず、ＥＧＲクーラ等、傍流（枝流）排気管への適用も包含する。そして、適用対象は車両等の内燃機関用に限定するものではなく、汎用エンジン、燃料電池、地上据置式の燃焼装置等、あらゆる排気ガス発生装置の排気系に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。
【図２】第２の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。
【図３】第３の実施例の熱回収器を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３０】１，３１，７２  熱回収器
２，３２，６０  外筒
３，３３，６７  冷却媒体通路
４，３４  熱交換筒
５，６２  熱交換部
６，７，４１，４４，６３，６４  接続部
８，９，４０，４２  テーパ部
１０，１１，３９，４３  直管部
１２，４６，７１  排出ポート
１３，４５，７０  導入ポート
１４  スピニングローラ
２１  素管
２２  スパイラルチューブ
２３  転造ローラ
２４，２５  端部
２６，２７，６５，６６  拡径部
２８，２９，６８，６９  溶接部
３５，４７  カバーパイプ
３６，４８，５１  多孔群
３７，５７  吸音材
３８，６１  内筒
５０  開孔
５２  熱交換流路
５３  バイパス流路
５４  ブラケット
５５  弁体
５６  共鳴室
【図１】
2007198720.tif 000003
【図２】
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【図３】
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